美国能源部成立乏燃料研究中心

乏燃料贮存和运输已到达一个关键节点。

数十家电力公司需要关于乏燃料在干式贮存容器和密封罐中性能的可靠数据，以延长美国各地厂址的监管许可证。同样，美国能源部预计将接收这些乏燃料——在管理其监管的法律法规中称为“乏燃料”——并将其转移到一个或多个联邦暂存设施进行管理和处置。

与此同时，数十家反应堆公司正在测试先进反应堆和先进反应堆燃料的原型。最终，监管机构和业界也必须验证这些先进燃料类型贮存方法的安全性和安保性。

为帮助应对这些挑战，美国能源部于2026年1月成立了乏燃料研究中心（CUFR），开展与乏燃料长期贮存和运输相关的工作。

CUFR设在Idaho美国国家实验室，协调多个国家实验室和其他场址的研究工作和能力，以开发创新技术和解决方案，开展有助于支持和维持监管合规的应用研究，并增强公众对商业和能源部管理的乏燃料贮存和运输的信心。

CUFR主任Gordon Petersen的职责是确保应用研发活动始终聚焦于对能源部使命和核工业互惠互利的工作。此外，他将接受一个执行技术委员会的指导，该委员会由国家实验室领导层以及核能研究所、美国电力研究院（EPRI）、Shoshone-Bannock部落和Idaho州州长办公室的代表组成。CUFR还将管理国内和国际合作者的关系。

CUFR成立之际，INL正准备接收来自Dominion Energy位于Virginia州North Anna核电站的一个高燃耗研究容器，其中装有乏燃料。

该容器是CUFR开展的多个长期研究项目之一，将为业界和监管机构提供关于常规乏燃料贮存的数据。CUFR的研究分为三个类别：乏燃料性能、密封罐性能和老化管理，以及创新。创新研究包括示范检查技术、用于能源部管理燃料的密封罐设计，以及对联邦暂存设施的支持。

“该中心本身拥有广泛的职权范围，”Petersen说。“随着能源部将高燃耗研究容器从Virginia运至INL，核能办公室希望创建一个中心，协调和管理针对该容器中燃料的特定研发及其他活动，能够整合众多国内、业界和国际合作伙伴的利益。”

高燃耗研究容器计划于2027年运至INL，其中装有1989年至2010年间在North Anna辐照过的高燃耗乏燃料。高燃耗燃料在反应堆堆芯中停留更长时间，接受额外的中子辐照，最终能从给定的燃料组件中提取更多能量，并延长换料停堆之间的时间。

该容器配备了大量仪器，用于监测温度和压力随时间的变化，提供燃料和包壳在长期贮存期间行为的真实数据。容器中的32个燃料组件分为业界目前使用的四种不同包壳：Westinghouse设计的Zircaloy-4组件、低锡Zircaloy-4组件和Zirlo组件，以及Framatome设计的M5组件。所有组件根据包壳类型在不同停堆期间取出。

该项目提供数据以支持核电站的老化管理和向美国核管会申请许可证更新。该项目还通过验证模型和解决与高燃耗乏燃料贮存和运输相关的不确定性，增强了对乏燃料贮存的信心。

这个长达数十年的项目产生的数据预计将证实模型所显示的：高燃耗乏燃料在干式贮存中不会发生退化。CUFR的研究人员估计，至少有50座核电站将受益于高燃耗研究容器项目产生的数据。

“业界大部分都在计划使用高燃耗燃料，”CUFR首任临时代理主任Jon Carmack说。“业界正在寻找新的、更好的方法来提高效率，而高燃耗燃料是增加收入流和利润率的一种方式。我们需要证明这些容器能够在其生命周期内贮存高燃耗燃料。”

利用安装在容器中的传感器，EPRI自2017年容器装料以来一直在持续收集温度数据。在运往INL之前，工作人员将收集气体样本，分析氢气含量、容器中的水蒸气量，以及是否检测到任何裂变气体，这可能表明包壳破损。

在INL，研究人员将从容器中取出燃料棒并进行检查，以确定包壳蠕变、氢吸收、氢重新取向以及包壳机械性能等因素。高燃耗研究容器中乏燃料的试验将于2038年完成，为业界提供数据以支持贮存系统许可和符合性证书延期。

Argonne、Pacific Northwest和Oak Ridge国家实验室在2017年至2023年间对几乎相同的乏燃料棒进行了辐照后检查，以提供基线数据。这些燃料棒在North Anna核电站辐照过，具有相似的燃耗、功率历史和包壳，但未被放入干式贮存。

研究人员预计高燃耗研究容器内的乏燃料不会发生退化，并确认现有贮存系统足以贮存高燃耗乏燃料，且裕量充足。

“这些容器非常坚固耐用，”Carmack说。“它们的设计能力与实际承受能力之间存在很大裕量。它们完全有能力可靠工作数十年，但我们必须证明这一点。”

CUFR还在评估氯化物引起的应力腐蚀开裂的可能性，将其作为距海洋或微咸水距离的函数，因为含盐气溶胶在这些区域附近更为普遍。这些研究依赖于其他行业用于研究钢材腐蚀的标准试验。

“我们研究钢材和混凝土在暴露于气候条件下的性能，”Carmack说。“海洋环境中的桥梁就是一个很好的例子。我们使用的方法与研究其他领域腐蚀的方式完全相同。”